黃土高填方路堤沉降監測分析

作者簡介：

武美辰（1993—），助理工程師，研究方向：土木工程施工。

摘要：文章以某高速公路黃土高填方路堤施工為研究背景，利用現場監測法對路堤沉降進行分析，根據現場地質調查結果，結合設計資料制定路堤施工方案；為驗證施工方案的合理性，在施工現場建立試驗段，布置測點對地基、路堤各部位沉降進行現場監測。結果表明：工后路堤中層沉降變形相對較大，下層和上層填土沉降量相對較小：路堤頂面沉降在監測初期較大，而后逐漸減小并趨于穩定，地基沉降占路堤總沉降的比例較小，說明該施工方案有效。

關鍵詞：高填方路堤；沉降；分層沉降；工后沉降；模擬分析

中圖分類號：U416.1+2文獻標識碼：A 11 033 2

0 引言

在黃土高原地區建設高速公路時，為了節約施工成本，通常就地取材選擇沿線黃土棄方作為路堤填料。而對黃土高填方路堤，由于壓實質量控制不當、填料質量不合格、加固措施不合理等原因［1］，完工后在車輛荷載和路基自重荷載的作用下會產生裂縫、沉陷等病害，破壞道路結構。其中不均勻沉降導致的開裂所占比例較大，主要是由于路基在運營期間還沒有完全固結［2-3］，持續產生變形導致產生不均勻沉降。對于黃土高填方路堤，如何在施工過程中有效提升路基壓實質量，減少工后固結變形，是一個值得研究的課題。

黃土高填方路堤的沉降主要包括填方體沉降和地基沉降兩大部分［4］，其中前者是路堤總沉降的主要組成部分。因此，如何采取措施有效提升地基承載力，控制路堤自身固結變形［5-6］，是控制路堤總體變形的重點。本文以某高速公路黃土高填方路堤施工為研究背景，利用現場監測法對路堤沉降進行分析。根據現場地質調查結果，結合設計資料制定路堤施工方案。為驗證施工方案的合理性，在施工現場建立試驗段，布置測點對地基、路堤各部位沉降進行現場監測，分析監測結果確定施工方案的合理性。

1 工程概況

某高速公路位于黃土高原，沿線地勢起伏高度大，地形條件復雜，最大高差為230 m，沿線分布有多處高填方路基。其中K53+420～K53+860段為高填方路基，最大填方高度為22 m，路基填料采用沿線挖方段黃土棄方。該路段地基上層為雜填土，下部為粉質黏土和粉土層，經現場取樣檢測確定為輕度非自重濕陷性黃土。為提升地基承載力，清表整平后采用強夯法對地基進行加固處治，處治后經檢測得出地基承載力gt;200 kPa，滿足高填方路堤施工要求。地下水深度gt;40 m以上，施工取樣基本無地表徑流水，對路堤施工所產生的影響較小。

路基設計寬度為25.5 m，路面橫坡度為2%，采用雙向四車道設計，道路紅線寬度為74.5 m。最大填方路堤高度為22 m，其中一級、二級邊坡高度均為8 m，三級邊坡高度為6 m，各級邊坡坡度均為1∶1.5，每兩級邊坡之間設置一個邊坡平臺，寬度為2 m。黃土路基填料具有一定的濕陷性，如果不處理工后會產生較大的沉降。本項目采用強夯法進行處治。高填方路基分層填筑，分層采用重型壓路機進行壓實。填筑高度每達到4 m進行一次強夯處理，處治完成后對路基填料取樣進行檢測，確保消除黃土的濕陷性。

2 黃土高填方路堤沉降監測方案

2.1 沉降監測方案

路堤沉降監測內容包括分層沉降監測、路基頂面沉降監測、地基頂面沉降監測三個方面。分層沉降監測通過開挖探孔，埋設沉降管和沉降環，自路基頂面向下分層布置沉降環。分層沉降觀測首先使用數字水準儀觀測各個管口高程，量取各個沉降環距管口的距離，而后利用分層沉降儀收集各個沉降磁環監測數據，監測次數不少于兩次，取平均值作為最終監測結果，監測誤差應≤2 mm。各個沉降磁環的高程為管口高程與磁環距管口距離的差值［7］，相鄰兩次觀測磁環高程之差即為該深度的沉降量。統計各磁環沉降量，即得到路基不同深度的分層沉降量。

路基頂面沉降監測是在中央分隔帶兩側布置沉降觀測樁，通過數字水準儀和條碼尺觀測，按照三等水準測量標準，利用二等水準測量基點進行校核。測量過程中利用水準儀從水準基點引測各沉降監測點高程，每次觀測次數≥2次，取平均值作為最終監測結果。相鄰兩次沉降觀測結果的差值就是路堤頂面在某一時間段的沉降量，整理監測時間內的高差即得到累計沉降量。

路堤分層沉降測孔鉆孔深度應略大于高填方路堤高度，沉降管采用PVC管，管接頭位置應處理牢固，防止出現滲漏水，底部用混凝土固定，與地基同步沉降。各個磁環可以監測不同深度路基填土的固結變形量，通過觀測管口沉降確定地基頂面沉降。

2.2 測點布置

本文以K53+450～K53+550段為試驗段，試驗段最大填方高度為22 m，路堤沉降監測時間為300 d。選取K53+450、K53+500、K53+550 3個斷面作為研究對象，3個斷面路堤最大填筑高度分別為19 m、22 m、20 m。分別在路基兩側路肩和路基中心位置布置一個測孔，自路基頂面向下依次布置4個沉降磁環，深度分別為5 m、10 m、15 m、22 m（地基頂面），土層自下而上編號分別為1～4層。路堤頂面沉降測點布置在中央分隔帶兩側，分層沉降測孔和路堤頂面測點布置如圖1所示。

3 黃土高填方路堤現場沉降監測分析

3.1 分層沉降監測結果分析

為了分析不同深度路堤填土的沉降變形情況，對工后路堤各層填方體壓縮變形情況進行分析，利用分層沉降儀和沉降環對不同深度路堤沉降量進行監測。分析監測數據，得出路基中心部位分層沉降量最大，兩側路肩位置相對較小，且比較接近。本文選取沉降監測結果較大的K53+500斷面作為研究對象，整理該監測斷面路基中心位置沉降監測數據如圖2所示。

分析圖2曲線得出，隨監測時間的增加，路堤各層填土沉降量增幅逐漸下降，其中中層填土的沉降量較大，下層和上層填土的沉降量較小。第三層路堤填土的沉降量最大，其次為第二層填土，第一層填土的沉降量最小，第四層填土的沉降量略高于第一層。分析原因是第一層填土是最早填筑的，在上層填土施工過程中反復承受施工荷載，與自重荷載的綜合作用在監測期間已基本固結；第三層填土固結時間短，且上部有一層填土自重荷載的作用，在監測期間所產生的固結沉降最大，第二層填土次之；第四層填土上部沒有外部荷載，主要在自重荷載作用下產生固結沉降，因此沉降量也較小。在監測時間達到95 d后，各層路堤填土沉降基本穩定，沒有出現沉降速率突然增大的情況，說明路堤固結變形逐漸穩定。

3.2 路堤頂面沉降監測結果分析

為分析路堤頂面沉降變形情況，在路堤完工后利用精密水準儀觀測沉降監測點，整理計算結果分析路堤頂面沉降變形規律。本文分別選取3個監測斷面中央分隔帶外側沉降點監測數據，繪制路堤頂面沉降變化曲線如圖3所示。

分析圖3曲線得出，路堤頂面沉降與各層填土變化規律相近，均呈現監測前期沉降增速較大，而后逐漸下降并趨穩的變化趨勢。在沉降監測初期的95 d以內，沉降量增幅較大，沉降速率達到0.29 mm/d；95 d至184 d沉降速率逐漸下降，平均沉降速率僅為0.01 mm/d，下降明顯；在監測時間達到184 d以后，各監測斷面沉降量基本穩定，路堤填土固結變形穩定。綜合分析3個斷面路堤頂面沉降監測結果，路堤沉降在監測完成后已基本穩定，說明施工方案可有效控制路堤沉降。

3.3 路堤工后縱向沉降監測結果分析

由于各監測斷面路基中心位置沉降量最大，為分析路基縱向沉降變化規律，分別取3個監測斷面路基中心位置沉降監測結果作為研究對象。路堤沉降包括路堤填筑體自身沉降和地基沉降，本文也分兩部分進行研究，分別繪制地基沉降和路堤填方體沉降曲線如圖4和后頁圖5所示。

分析圖4曲線可知，工后3個監測斷面地基頂面沉降量均較小，在監測初期有小幅增加，監測62 d后基本穩定。地基沉降是由于路堤填土重力和上部施工荷載的綜合作用產生的，其影響深度有限，該深度范圍內的地基土體在監測期間已基本固結。另外，施工前對地基進行強夯處治使地基承載力得到大幅提升，也降低了工后沉降。

分析圖5曲線得出，3個監測斷面填方體沉降變化趨勢基本一致，監測前期增幅較大，監測結束時基本穩定。其中K53+500斷面填方體沉降量相對較大，這是由于該斷面填方高度較大，增加了自重應力造成的。總之，根據上述分析結果，3個斷面地基沉降量均較小，填方體沉降變化趨勢相近，在監測結束時均基本達到穩定狀態，說明地基處治方案和路堤施工方案合理。

4 結語

本文以某高速公路黃土高填方路堤為研究背景，根據現場基本情況制定地基加固方案和路堤施工方案，在施工現場建立試驗段，路堤填筑完工后布置沉降測點和測孔，分析沉降監測數據得出以下結論：

（1）第三層填土沉降量最大，第二層次之，第四層和第一層沉降均較小。分析原因是各層填土的施工順序、承受荷載等不同造成的，在監測前期沉降增幅較大，在監測完成后基本達到穩定狀態。

（2）路堤頂面沉降監測初期沉降速率為0.29 mm/d，而后逐步下降，在監測時間達到184 d以后逐漸穩定，說明路堤施工方案可有效控制路堤沉降。

（3）地基頂面沉降量較小，路堤填方體沉降量較大，地基沉降量在路堤總沉降量中所占的比例僅為10%左右，二者均在監測初期增幅較大，在監測95 d逐漸達到穩定狀態，說明地基采用強夯加固方案處治后穩定性得到提升，路堤施工方案合理可行。

參考文獻

［1］王 瑋.黃土地區高填方路堤沉降變形特征［J］.甘肅科技，2022，38（8）：84-87.

［2］安惠娟.黃土高填方路基沉降規律及機理研究［J］.西部交通科技，2018（6）：63-65，79.

［3］王 鵬，巨玉文.Logistic-雙曲線組合模型用于黃土高填方路堤沉降預測的研究［J］.公路，2018，63（4）：12-17.

［4］巨玉文，胡 穎，王文正.黃土填料高填方路堤工后沉降變形規律的試驗研究［J］.公路，2017，62（8）：21-27.

［5］何淑梅，畢貴權，徐存東，等.黃土高填方壩式路堤沉降變形模擬［J］.低溫建筑技術，2011，33（3）：99-100.

［6］顧偉杰.黃土地區高填方路堤沉降分析［J］.現代交通技術，2008，5（S2）：11-15.

［7］劉奉銀，趙 然，謝定義，等.黃土高填方路堤沉降分析［J］.長安大學學報（自然科學版），2003（6）：23-28.